entropie a rozpustnost: proč se olej a voda nemíchají?113
skutečnost, že se olej a voda nemíchají, je dobře známa. Dokonce se stala běžnou metaforou pro jiné věci, které se nemíchají (lidé, víry atd.) Co není tak dobře známo, je, proč? Olej je obecný název pro skupinu sloučenin,z nichž mnohé jsou uhlovodíky nebo obsahují uhlovodíkové oblasti., Oleje jsou dobře mastné, jsou kluzké a (na riziko znějící únavné) nelze míchat s vodou. Molekuly v olivovém oleji nebo kukuřičném oleji mají obvykle dlouhý uhlovodíkový řetězec asi 16-18 uhlíků. Tyto molekuly mají často na jednom konci polární skupiny zvané estery (skupiny atomů, které obsahují vazby C—o).114 Jakmile se dostanete více než šest atomů uhlíku v řetězci, tyto skupiny nejsou výrazně ovlivnit rozpustnost ve vodě, stejně jako jeden O —H skupin v nejvíce alkoholy nemají velký vliv na rozpustnost., Takže, olejové molekuly jsou primárně non-polární a komunikovat spolu navzájem, stejně jako s jinými molekulami (včetně molekul vody), a to především přes Londýn disperzní síly (LDFs). Když molekuly oleje jsou rozptýleny ve vodě, jejich interakce s molekulami vody zahrnují jak LDFs a interakce mezi vodou dipól a indukovaný dipól na molekuly oleje. Takové dipólem indukované dipólové interakce jsou běžné a mohou být významné., Pokud bychom měli odhadnout změnu entalpie spojené s disperzní olejové molekuly ve vodě, zjistili bychom, ΔH je přibližně nula pro mnoho systémů. To znamená, že energie potřebná k oddělení molekul rozpouštědla a rozpuštěné látky je zhruba stejná jako energie uvolněná při nové rozpouštědlo–rozpuštěná látka interakce jsou vytvořeny.
nezapomeňte, že změna entropie spojená s pouhým smícháním molekul je pozitivní., Pokud je tedy entalpická změna spojená s mícháním olejů a vody přibližně nulová a entropie míchání je obvykle pozitivní, proč se tedy olej a voda nemíchají? Zdá se, že jedinou možností je, že změna entropie spojená s rozpuštěním molekuly oleje ve vodě, musí být negativní (což ΔG pozitivní.) Navíc, pokud rozptýlíme molekuly oleje ve vodném roztoku, smíšený systém se spontánně oddělí (nemixuje). Zdá se, že se jedná o proces, který zahrnuje práci. Jaká síla řídí tuto práci?,
Ujišťujeme vás, že existuje nemystické vysvětlení, ale vyžaduje myšlení na molekulární i systémové úrovni. Když uhlovodíkových molekul, které jsou rozptýlené ve vodě, molekuly vody upravíme, aby se maximalizoval počet H-dluhopisy dělají jeden s druhým. Tvoří strukturu podobnou kleci kolem každé uhlovodíkové molekuly. Tato klec molekul vody kolem každého uhlovodíkové molekuly je více nařídil uspořádání než v čisté vodě, zejména když jsme se počítat a přidat dohromady všechny jednotlivé klece!, Je to spíše jako uspořádání molekul vody v ledu, i když je omezeno na oblasti kolem uhlovodíkové molekuly. Toto uspořádanější uspořádání má za následek pokles entropie. Čím více molekul oleje se rozptýlí ve vodě, tím větší je pokles entropie. Na druhou stranu, když se molekuly oleje shlukují, oblast „objednané vody“ je snížena; méně molekul vody je ovlivněno. Proto dochází ke zvýšení entropie spojené s shlukováním molekul oleje —zcela protiintuitivní myšlenka!, Toto zvýšení entropie vede k záporné hodnotě pro-tδ, kvůli zápornému znaménku. Proto při absenci jakéhokoli jiného faktoru se systém pohybuje, aby se minimalizovaly interakce mezi molekulami oleje a vody, což vede k tvorbě samostatných fází oleje a vody. V závislosti na relativní hustotě látek může být olejová fáze buď nad nebo pod vodní fází. Toto oddělení molekul oleje a vody řízené entropií se běžně označuje jako hydrofobní účinek., Molekuly oleje se samozřejmě nebojí (fobie) vody a neodrazují molekuly vody. Připomeňme, že všechny molekuly se navzájem přitahují prostřednictvím londýnských disperzních sil (pokud nemají trvalý a podobný elektrický náboj).
nerozpustnost oleje ve vodě je řízena především změnami entropie, takže je přímo ovlivněna teplotou systému. Při nízkých teplotách je možné stabilizovat směsi vody a uhlovodíků., V takových směsích, které jsou známé jako klatráty, jsou uhlovodíkové molekuly obklopeny stabilními klecemi molekul vody (LED). Připomeňme, že led má ve své krystalové struktuře relativně velké otevřené prostory. Uhlovodíkové molekuly zapadají do těchto otvorů, což umožňuje předvídat maximální velikost uhlovodíkových molekul, které mohou tvořit klatráty. Například některé oceánské bakterie vytvářejí CH4 (metan), který se pak rozpustí ve studené vodě za vzniku metanových klatrátů., Vědci odhadují, že mezi dvěma a desetinásobkem současného množství konvenčních zdrojů zemního plynu jsou přítomny jako methanové klatráty.115